CN104358265A - 主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构及施工方法，属寒区边坡支护领域；包括框架、热锚管和制冷装置，热锚管由热管通过螺纹与中空锚管连接构成；制冷装置由制冷片，温控开关和太阳能板通过导线连接构成；热锚管冷凝段安装制冷片；在热锚管上依次套锚具、弹簧和垫板，并将热锚管置于坡体洞内；在热锚管内压力注入浆体使其锚固于稳定冻土层；在坡面上施作土工格栅和框架，用锚具将热锚管锚固于框架上；在坡脚施设排水沟；用导线依次将制冷片，框架上的温控开关和太阳能板连接。

Description

主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构及施工方法

技术领域

本发明属于寒区边坡支护技术领域，具体涉及一种主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构及施工方法，特别适用于多年冻土地区的公路、铁路边坡和天然边坡的支护工程。

背景技术

随着经济建设的快速发展，各式各样的寒区工程相继修建，工程建设产生了大量新边坡。新边坡的出现，不可避免地破坏了原有地表植被、水流路径等，造成地表换热条件改变，施工完成后土坡面的吸热面积和吸热量显著增加，原有冻土的热量平衡遭到破坏，总体热量吸入大于热量支出，冻融活动层温度升高，冻土上限下降，影响冻土边坡的稳定性，而冻土边坡稳定性对线路长期安全运营具有潜在的威胁。因此，必须对其进行工程治理。普通的治理措施是换填冻融层土体，坡面增设隔热保温层和非寒区的锚喷支护措施，由于冻土含冰率高和温度敏感性特点，并且随着全球气候的变暖，热融量增多，换填法工程量巨大，隔热保温稳固措施不可靠，且影响地表植被种植面积，荒漠化程度逐渐上升，普通锚喷支护结构不能降低冻土上限的下降，且遭受强烈冻胀支护结构容易破坏。

针对现有工程措施无法根治冻土边坡冻融滑塌的缺陷，申请号：201310484351.X的专利提出了一种防治寒区边坡冻融滑塌的框架热锚管结构。该结构的主要特点：一方面是热锚管能够主动降低周围融化冻土的温度，使其处于冻结状态，减少热融滑塌量；另一方面是热锚管与框架结合对边坡进行支护。通过主动冷却与被动支护相结合的措施，为冻土边坡的冻融滑塌治理问题提供了新方法，并取得了良好的治理效果。然而该结构也存在明显的缺陷，在夏季，外界环境温度高于坡体温度，热锚管中的制冷剂蒸汽不能在冷凝段得到冷却，热锚管的主动冷却工作几乎停止，当坡体内冬季储存在的冷量被消耗殆尽，冻融活动层土体不能被降温冷却，土体强度降低，框架热锚管支护结构承受的外荷载增大，往往造成边坡热融滑塌失稳；更为严重的是在夏季日照强烈温度较高时，由于热锚管金属壁自身导热，还会将部分热量传到冻土里，加剧边坡冻土的融化。冬季冻融活动层冻胀作用强烈，使锚具固定约束的框架受到巨大的冻胀力，造成框架结构破坏；热锚管需要专门工厂制作，由于热锚管长度较长，为厂家制作和长途运输到工地带来不便，使得工程造价居高不下。除此之外，护面仅靠植被和抛石稳固热融土体的能力较弱。

发明内容

针对上述现有支护技术的缺点和基于保护冻土良好发育的原则，本发明的目的是提供一种主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构及施工方法，解决目前支护结构冷却效果差，减轻冻胀对支护结构的危害，坡面植被覆盖率低的缺点，进一步提高寒区边坡的稳定性。

本发明是主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构及施工方法，主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，包括框架、热锚管5和制冷装置，热锚管5由热管6通过螺纹与中空锚管12连接构成；金属内管7嵌套于金属外管8内，金属内管7与金属外管8之间两端封闭构成中空封闭圆筒，并在封闭圆筒内充填传热工质9形成热管6；制冷装置由制冷片14，温控开关15和太阳能板16通过导线17连接构成；热锚管5的冷凝段A安装制冷片14；在热锚管5上依次套锚具18、弹簧19和垫板20,并放置于坡体洞内；在热锚管5内压力注入浆体21，通过中空锚管12上的出浆孔13与周围土层粘结成锚固段C；在坡面上施作土工格栅22和框架，热锚管5穿越横梁2和立柱3的交叉位置，用锚具18将热锚管5锚固于框架上；在坡脚施设排水沟24；用导线17依次将制冷片14，框架上的温控开关15和太阳能板16连接。

主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构的施工方法，其步骤为：

（1）预制热管6：根据工程实际确定多年冻土冻融活动层的最大厚度，最大厚度即为热管6的蒸发段B的长度；根据蒸发段B与冷凝段A 是2:1的关系，确定热管6的总长度；在金属外管8的1/3位置处焊接金属环10，并在金属环10上车削螺纹；在金属内管7的一端车削内螺纹；金属内管7嵌套于金属外管8内，且将金属外管8与金属内管7之间的两端用实体封闭构成中空的封闭圆筒，并在封闭圆筒内充填传热工质9，在冷凝段A上设有散热片11，且在金属外管8和散热片11的外面涂防腐层；

（2）制作中空锚管12：根据工程计算确定中空锚管12的长度；选取直径与金属内管7相同的中空杆体，在前段车削与金属内管7内螺纹相配套的外螺纹，在中空杆体上按直径为3~6mm、间距为50~80mm钻出浆孔13；

（3）制作锚具18和弹簧19：制作外径120~150mm，内径与金属环10相同的锚具18；制作刚度系数为200~600N/mm，长度为80~150mm的弹簧19，直径取在金属外管8和锚具18外径之间；

（4）放线及定位：首先根据工程设计用测量仪器进行放线，其次从坡顶向下开挖边坡，之后用测量仪器定位热锚管5的施设位置；

（5）施工热锚管5：将热管6通过螺纹与中空锚管12连接，构成热锚管5；在冻土层中按设计角度开设孔洞，从无散热片11的一端依次将锚具18、弹簧19和垫板20套在热锚管5上，然后放置于坡体孔洞内；在热锚管5内压力注入锚固浆体21，使其从出浆孔13渗出，与周围稳定土层粘结形成锚固段C；

（6）施工土工格栅22：在坡面上铺设土工格栅22；

（7）浇注压顶冠梁1、横梁2和立柱3：在第一根立柱3和第一排横梁2的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁2、立柱3的钢筋骨架并浇筑混凝土形成框架；

（8）待横梁2、立柱3的混凝土强度达到85%以上时对热锚管5进行预应力张拉，并用锚具18将热锚管5锚定在框架上；

（9）种植植被23：在横梁2和立柱3之间的土工格栅22内种植植被23；

（10）按照第（5）、（6）、（7）、（8）、（9）步的步骤施工下一个工作面的热锚管5、土工格栅22、横梁2和立柱3，并种植植被23，完成各层热锚管5的张拉与锚固；

（11）按照第（7）步工序施工立柱3至立柱3的底端，在立柱3的底端设计位置处施工横梁2，施工其余热锚管5和土工格栅22，并完成相应工序；

（12）在立柱3的底端对应位置处制作基础桩4：在开设的桩孔内放入钢筋笼，将立柱3的底端外伸钢筋和基础桩4内钢筋焊接连接，浇注基础桩4；

（13）在坡脚浇筑混凝土排水沟24；

（14）安装制冷装置：在施工完成热锚管5的冷凝段A上安装制冷片14，将制冷片14的冷面与热锚管5粘贴；在框架上安装温控开关15和太阳能板16；用导线17将制冷片14、温控开关15和太阳能板16串联起来；太阳能板16的正极与制冷片14的红线连接，负极与黑线连接。

本发明的有益效果是：本发明综合利用半导体制冷、热锚管和锚固技术于一体，形成主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构。该结构实用性强，技术可行，用于寒区边坡治理工程的主要优点为：（1）避免了夏季环境温度大于坡体冻融活动层温度时，热锚管主动降温停止工作及热锚管导热引起对冻土的加热反作用。在外界温度低于冻融活动层温度时，热锚管内的传热工质通过气液两相转化进行降温；相反，在不满足上述条件时，通过温控开关控制将半导体制冷片与太阳能板连通，在电力的驱动下通过制冷片的冷面对热锚管冷凝段进行冷却降温，使冷凝段内的传热工质蒸汽凝结，并回流到蒸发段继续重复工作。实现了热锚管全年降温工作，这对多年冻土坡体的稳定起到很好的促进作用。（2）弹簧通过调节自身变形，既能减轻冬季土体冻胀对支护结构的破坏，又能让支护结构在夏季土体融沉时恢复到靠近土体的位置，发挥支档作用，还能够缓解地震对支护结构的破坏作用。（3）土工格栅既能够进行护面支档土体，又能在格栅内种植植被，茂盛的植被层具有保水和隔热保温功能，恢复遭受工程破坏区域的植被，减轻水土流失，实现工程建设与生态环境建设的和谐统一。（4）本发明结构简单，技术成熟、组装化程度高，制作运输方便，施工速度快，工程造价降低。

附图说明

图1是本发明结构的立面图；图2是图1中的侧剖面图；图3是本发明热管6的结构详图；图4是本发明中空锚管12的结构详图；图5是本发明中热锚管5的结构详图；附图标记说明：压顶梁1、横梁2、立柱3、基础桩4、热锚管5、热管6、金属内管7、金属外管8、传热工质9、金属环10、散热片11 、中空锚管12、出浆孔13、制冷片14、温控开关15、太阳能板16、导线17、锚具18、弹簧19、垫板20、浆体21、土工格栅22、植被23、排水沟24、冷凝段A、蒸发段B、锚固段C。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明特征作更进一步的描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限制本发明的范围。在阅读本发明后，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进均应包含于本发明的保护范围以内。

如图1、2、3、4、5所示，本发明提供一种主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，包括框架、热锚管5和制冷装置，热锚管5由热管6通过螺纹与中空锚管12连接构成；金属内管7嵌套于金属外管8内，金属内管7与金属外管8之间两端封闭构成中空封闭圆筒，并在封闭圆筒内充填传热工质9形成热管6；制冷装置由制冷片14，温控开关15和太阳能板16通过导线17连接构成；热锚管5的冷凝段A安装制冷片14；在热锚管5上依次套锚具18、弹簧19和垫板20，并放置于坡体洞内；在热锚管5内压力注入浆体21，通过中空锚管12上的出浆孔13与周围土层粘结成锚固段C；在坡面上施作土工格栅22和框架，热锚管5穿越横梁2和立柱3的交叉位置，用锚具18将热锚管5锚固于框架上；在坡脚施设排水沟24；用导线17依次将制冷片14，框架上的温控开关15和太阳能板16连接。

如图3、5所示，热管的金属外管8的1/3左右位置带有金属环10，金属环10外带有用于连接锚具18的外螺纹，金属内管7后端带有与中空锚管12连接的内螺纹。金属外管8直径为70~90mm，长度为3.5~6.0m。金属内管7长度与金属外管8相等，直径为30~40mm。金属环10前部为热锚管5的冷凝段A，后部为热锚管5的蒸发段B。冷凝段A上设有制冷片14和散热片11，并在冷凝段A上涂有减少太阳能热辐射的防腐层，蒸发段B上涂有减少冻土层有机物腐蚀的防腐层。传热工质9为液态氨或其他传热工质。

如图4、5所示，中空锚管12前段带有外螺纹，周围带有出浆孔，中空锚管12直径与金属内管7相同，长度为1.5~3.0m，出浆孔13的直径为3~6mm、间距为50~80mm。

如图2所示，制冷片14为半导体制冷片，额定电压24V，额定电流6A，可为单层或多层制冷片。太阳能板16电压与制冷片14电压相同，太阳能板16的正极与制冷片14的红线连接，负极与黑线连接。温控开关15的感应转换温度设定为0°C。

如图2所示，弹簧19刚度系数为200~600N/mm，直径取值金属外管8直径和锚具18外径之间，长度为80~150mm。锚具18内径与金属环10相同，外径120~150mm，且带有与金属环10相配套的螺纹。

如图1、2所示，所述的土工格栅22为塑料、涤纶、玻纤等制成，并在格栅内种植植被23。排水沟24为混凝土浇筑而成，深度均为200~500m，宽度为300~500mm。

本发明的工作原理是：当外界环境温度低于温控开关感应温度0°C时，温控开关自动断开，制冷设备不工作，此时，在外界环境温度降低到低于坡体温度，热锚管内传热工质在蒸发段吸收热量蒸发，上升到冷凝段散发热量凝结，然后在自重作用下又回流到蒸发段，这样反复通过气液两相转变来降低坡体冻融活动层温度；此阶段等同于普通热锚管的工作机理；由热锚管的锚固段将框架和不稳定土体锚固在稳定冻土层中，保持冻土边坡的稳定。当外界环境温度高于温控开关感应温度0°C时，温控开关自动闭合，制冷设备开始工作，在阳光照射下储存有电能的太阳能板与安装在热锚管冷凝段的半导体制冷片连通，在电力的驱动下，电流由制冷片中的N型元件向P型元件流动，促使制冷片的冷面将将热锚管冷凝段的热量吸走，通过制冷片的热面将热量散发到周围环境，冷凝段内传热工质得到冷却成为液体，回流到蒸发段继续重复吸收热量。实现了热锚管全年降温工作，极大提高冻土坡体的稳定性。

在冬季温度急剧下降，水分迁移量大，冻胀作用相当强烈，在框架支护结构上附加巨大的冻胀力，施加于框架与锚具之间的弹簧变形，容许框架产生部分位移，减轻冻胀造成的破坏，进入夏季时，坡体融沉，弹簧反弹，使框架恢复靠近坡体发挥支档作用。该弹簧还能缓冲地震作用对支护结构的影响。土工格栅既能够进行护面支档土体，又能在格栅内种植植被，植被层具有保水和隔热保温功能，进一步确保下覆冻融层保持稳定。

本发明施工时，宜采用逆作法，分段施工，即由上而下逐层、分段施工，其步骤为：

（1）预制热管6：根据工程实际确定多年冻土冻融活动层的最大厚度，最大厚度即为热管6的蒸发段B长度。根据蒸发段B与冷凝段A 是2:1的关系，确定热管6的总长度。在金属外管8的1/3位置焊接金属环10，并在金属环10上车削螺纹。在金属内管7的一端车削内螺纹。金属内管7嵌套于金属外管8内，且将金属外管8与金属内管7之间的两端用实体封闭构成中空的封闭圆筒，并在封闭圆筒内充填传热工质9，在冷凝段A上设有散热片11，且在金属外管8和散热片11的外面涂防腐层。此工艺由生产厂家预制；

（2）制作中空锚管12：根据工程计算确定中空锚管12的长度。选取直径与金属内管7相同的中空杆体，在前段车削与金属内管7内螺纹相配套的外螺纹，在中空杆体上按直径为3~6mm、间距为50~80mm钻出浆孔13；

（3）制作锚具18和弹簧19：制作外径120~150mm，内径与金属环10相同的锚具18；制作刚度系数为200~600N/mm，长度为80~150mm的弹簧19，直径取在金属外管8和锚具18外径之间；

（4）放线及定位：首先根据工程设计用测量仪器进行放线，其次从坡顶向下开挖边坡，之后用测量仪器定位热锚管5的施设位置；

（5）施工热锚管5：将热管6通过螺纹与中空锚管12连接，构成热锚管5；在冻土层中按设计角度开设孔洞，从无散热片11的一端依次将锚具18、弹簧19和垫板20套在热锚管5上，然后放置于坡体孔洞内；在热锚管5内压力注入锚固浆体21，使其从出浆孔13渗出，与周围稳定土层粘结形成锚固段C；

（6）施工土工格栅22：在坡面上铺设土工格栅22；

（7）浇注压顶冠梁1、横梁2和立柱3：在第一根立柱3和第一排横梁2的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁2、立柱3的钢筋骨架并浇筑混凝土形成框架；

（8）待横梁2、立柱3的混凝土强度达到85%以上时对热锚管5进行预应力张拉，并用锚具18将热锚管5锚定在框架上；

（9）种植植被23：在横梁2和立柱3之间的土工格栅22内种植植被23；

（10）按照第（5）、（6）、（7）、（8）、（9）步的步骤施工下一个工作面的热锚管5、土工格栅22、横梁2和立柱3，并种植植被23，完成各层热锚管5的张拉与锚固；

（11）按照第（7）步工序施工立柱3至立柱3的底端，在立柱3的底端设计位置处施工横梁2，施工其余热锚管5和土工格栅22，并完成相应工序；

（12）在立柱3的底端对应位置处制作基础桩4：在开设的桩孔内放入钢筋笼，将立柱3的底端外伸钢筋和基础桩4内钢筋焊接连接，浇注基础桩4；

（13）在坡脚浇筑混凝土排水沟24；

（14）安装制冷装置：在施工完成热锚管5的冷凝段A上安装制冷片14，将制冷片14的冷面与热锚管5粘贴；在框架上安装温控开关15和太阳能板16；用导线17将制冷片14、温控开关15和太阳能板16串联起来。太阳能板16的正极与制冷片14的红线连接，负极与黑线连接。

Claims (7)

1.主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，包括框架、热锚管（5）和制冷装置，其特征为：热锚管（5）由热管（6）通过螺纹与中空锚管（12）连接构成；金属内管（7）嵌套于金属外管（8）内，金属内管（7）与金属外管（8）之间两端封闭构成中空封闭圆筒，并在封闭圆筒内充填传热工质（9）形成热管（6）；制冷装置由制冷片（14），温控开关（15）和太阳能板（16）通过导线（17）连接构成；热锚管（5）的冷凝段（A）安装制冷片（14）；在热锚管（5）上依次套锚具（18）、弹簧（19）和垫板（20），并放置于坡体洞内；在热锚管（5）内压力注入浆体（21），通过中空锚管（12）上的出浆孔（13）与周围土层粘结成锚固段（C）；在坡面上施作土工格栅（22）和框架，热锚管（5）穿越横梁（2）和立柱（3）的交叉位置，用锚具（18）将热锚管（5）锚固于框架上；在坡脚施设排水沟（24）；用导线（17）依次将制冷片（14），框架上的温控开关（15）和太阳能板（16）连接。

2.根据权利要求1所述的主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，其特征在于：所述热管的金属外管（8）的1/3左右位置带有金属环（10），金属环（10）外带有用于连接锚具（18）的外螺纹，金属内管（7）后端带有与中空锚管（12）连接的内螺纹；金属外管（8）的直径为70~90mm，长度为3.5~6.0m；金属内管（7）长度与金属外管（8）相等，直径为30~40mm。

3.根据权利要求1所述的主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，其特征在于：所述的中空锚管（12）前段带有外螺纹，周围带有出浆孔（13），中空锚管（12）的直径与金属内管（7）相同，长度为1.5~3.0m。

4.根据权利要求1所述的主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，其特征在于：所述的制冷片（14）为半导体制冷片，额定电压24V，额定电流6A，可为单层或多层制冷片；太阳能板（16）电压与制冷片（14）电压相同，太阳能板（16）的正极与制冷片（14）的红线连接，负极与黑线连接；所述的温控开关（15）的感应转换温度设定为0°C。

5.根据权利要求1所述的主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，其特征在于：所述的弹簧（19）的刚度系数为200~600N/mm，直径取值金属外管（8）直径和锚具（18）外径之间，长度为80~150mm。

6.根据权利要求1所述的主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构，其特征在于：所述的锚具（18）内径与金属环（10）相同，外径120~150mm，且带有与金属环（10）相配套的螺纹。

7.主动制冷和自恢复寒区边坡支护结构的施工方法，其特征为，其步骤为：

（1）预制热管（6）：根据工程实际确定多年冻土冻融活动层的最大厚度，最大厚度即为热管（6）的蒸发段（B）的长度；根据蒸发段（B）与冷凝段（A） 是2:1的关系，确定热管（6）的总长度；在金属外管（8）的1/3位置处焊接金属环（10），并在金属环（10）上车削螺纹；在金属内管（7）的一端车削内螺纹；金属内管（7）嵌套于金属外管（8）内，且将金属外管（8）与金属内管（7）之间的两端用实体封闭构成中空的封闭圆筒，并在封闭圆筒内充填传热工质（9），在冷凝段（A）上设有散热片（11），且在金属外管（8）和散热片（11）的外面涂防腐层；

（2）制作中空锚管（12）：根据工程计算确定中空锚管（12）的长度；选取直径与金属内管（7）相同的中空杆体，在前段车削与金属内管（7）内螺纹相配套的外螺纹，在中空杆体上按直径为3~6mm、间距为50~80mm钻出浆孔（13）；

（3）制作锚具（18）和弹簧（19）：制作外径120~150mm，内径与金属环（10）相同的锚具（18）；制作刚度系数为200~600N/mm，长度为80~150mm的弹簧（19），直径取在金属外管（8）和锚具（18）外径之间；

（4）放线及定位：首先根据工程设计用测量仪器进行放线，其次从坡顶向下开挖边坡，之后用测量仪器定位热锚管（5）的施设位置；

（5）施工热锚管（5）：将热管（6）通过螺纹与中空锚管（12）连接，构成热锚管（5）；在冻土层中按设计角度开设孔洞，从无散热片（11）的一端依次将锚具（18）、弹簧（19）和垫板（20）套在热锚管（5）上，然后放置于坡体孔洞内；在热锚管（5）内压力注入锚固浆体（21），使其从出浆孔（13）渗出，与周围稳定土层粘结形成锚固段（C）；

（6）施工土工格栅（22）：在坡面上铺设土工格栅（22）；

（7）浇注压顶冠梁（1）、横梁（2）和立柱（3）：在第一根立柱（3）和第一排横梁（2）的设计位置处支模，在支模而成的槽内绑扎横梁（2）、立柱（3）的钢筋骨架并浇筑混凝土形成框架；

（8）待横梁（2）、立柱（3）的混凝土强度达到85%以上时对热锚管（5）进行预应力张拉，并用锚具（18）将热锚管（5）锚定在框架上；

（9）种植植被（23）：在横梁（2）和立柱（3）之间的土工格栅（22）内种植植被（23）；

（10）按照第（5）、（6）、（7）、（8）、（9）步的步骤施工下一个工作面的热锚管（5）、土工格栅（22）、横梁（2）和立柱（3），并种植植被（23），完成各层热锚管（5）的张拉与锚固；

（11）按照第（7）步工序施工立柱（3）至立柱（3）的底端，在立柱（3）的底端设计位置处施工横梁（2），施工其余热锚管（5）和土工格栅（22），并完成相应工序；

（12）在立柱（3）的底端对应位置处制作基础桩（4）：在开设的桩孔内放入钢筋笼，将立柱（3）的底端外伸钢筋和基础桩（4）内钢筋焊接连接，浇注基础桩（4）；

（13）在坡脚浇筑混凝土排水沟（24）；

（14）安装制冷装置：在施工完成热锚管（5）的冷凝段（A）上安装制冷片（14），将制冷片（14）的冷面与热锚管（5）粘贴；在框架上安装温控开关（15）和太阳能板（16）；用导线（17）将制冷片（14）、温控开关（15）和太阳能板（16）串联起来；太阳能板（16）的正极与制冷片（14）的红线连接，负极与黑线连接。